王 忍,李 勇,李大鵬,蔡順智,黃 勇 (蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215009)

?

河蜆或藻存在下組合擾動(dòng)對(duì)內(nèi)源磷遷移的影響

王 忍,李 勇,李大鵬*,蔡順智,黃 勇 (蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215009)

摘要：為闡明河蜆(Corbicula fluminea)或銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)存在下,物理和搖蚊幼蟲組合擾動(dòng)對(duì)內(nèi)源磷再生和遷移轉(zhuǎn)化的影響,以太湖梅梁灣上覆水和沉積物為研究對(duì)象,分析了上覆水、間隙水、沉積物中不同形態(tài)磷的變化規(guī)律.結(jié)果表明,與搖蚊幼蟲擾動(dòng)和組合擾動(dòng)相比,河蜆或藻類的出現(xiàn)都會(huì)使得上覆水中不同形態(tài)磷(總磷、溶解性總磷、溶解性磷酸鹽、顆粒態(tài)磷)顯著增加.河蜆或藻類均導(dǎo)致間隙水DIP明顯降低,并致使DIP峰值區(qū)域向更深處遷移(3～4cm變?yōu)?～5cm),而對(duì)照試驗(yàn)則相反.與對(duì)照試驗(yàn)相比,河蜆或藻存在下組合擾動(dòng)均導(dǎo)致0～4cm沉積物NH4Cl-P含量及其占總磷百分比降低,Fe/Al-P含量及其占總磷百分比增加,并且河蜆或藻對(duì)NH4Cl-P降低和Fe/Al-P增加的影響基本一致.在多種擾動(dòng)因素存下,搖蚊幼蟲對(duì)上覆水中DTP和DIP貢獻(xiàn)最大,后者可能源于搖蚊幼蟲顯著降低了間隙水中DIP含量及沉積物中NH4Cl-P含量.這暗示了在組合擾動(dòng)基礎(chǔ)上疊加河蜆或者藻類,均進(jìn)一步促進(jìn)了內(nèi)源磷再生和遷移.

關(guān)鍵詞：磷；組合擾動(dòng)；搖蚊幼蟲；河蜆；銅綠微囊藻；太湖

* 責(zé)任作者, 教授, ustsldp@163.com

隨著外源磷得到不斷的控制,內(nèi)源磷的再生和形態(tài)轉(zhuǎn)化對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的進(jìn)程起著越來越重要的作用[1].沉積物擾動(dòng)是促使內(nèi)源磷再生和形態(tài)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素[2-3].通常,底泥擾動(dòng)分為3 種:物理擾動(dòng)(風(fēng)浪、湖流、航運(yùn)等造成的擾動(dòng))、生物擾動(dòng)(底棲生物擾動(dòng))、組合擾動(dòng)(物理和底棲生物組合擾動(dòng)).

對(duì)于天然水體而言,更多的時(shí)候是以組合擾動(dòng)為主,然而,組合擾動(dòng)模式下參與擾動(dòng)的底棲生物種類不同對(duì)上覆水和底泥中磷遷移轉(zhuǎn)化的影響也不同[4-5].這種不同主要源于底棲生物對(duì)底泥微環(huán)境和微界面的改造方式不同.如搖蚊幼蟲主要從垂向上改造底泥微環(huán)境和微界面,而河蜆則從水平向?qū)Ρ韺拥啄噙M(jìn)行改造.張雷等[6-7]、史曉丹等[8-9]、王忍等[10]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)搖蚊幼蟲和河蜆均會(huì)促進(jìn)磷從底泥向上覆水遷移.

藻類是水體中磷發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化的另一個(gè)關(guān)鍵因素[11-14].但是,藻類對(duì)上覆水磷的影響目前還沒有定論.Cyr等[15]認(rèn)為,擾動(dòng)下上覆水中磷之所以減少,可歸因于藻類等浮游植物對(duì)溶解性磷酸鹽的吸收.汪明等[16]在對(duì)太湖梅粱灣的周年監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn),藻類的大量生長(zhǎng)并未導(dǎo)致溶解性磷酸鹽降低,相反卻顯著增加.

物理擾動(dòng)、生物擾動(dòng)以及藻類的存在均會(huì)對(duì)上覆水和底泥中磷的遷移轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響,那么,在多種因素共存條件下,磷在泥水界面究竟發(fā)生怎樣的遷移轉(zhuǎn)化,哪一種因素又是磷遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵影響因素,上述因素的存在對(duì)磷的遷移轉(zhuǎn)化是否存在疊加效應(yīng)等尚不清楚.因此,本研究以物理和搖蚊幼蟲組合擾動(dòng)為基礎(chǔ)研究對(duì)象,通過引入河蜆或藻類,盡可能真實(shí)的模擬和反映太湖底泥擾動(dòng)實(shí)際情形,探討組合擾動(dòng)下,上覆水磷(TP、DTP、DIP、PP)、間隙水DIP和底泥磷(NH4Cl-P、Fe /Al-P、Ca-P 、Res-P)的變化規(guī)律.進(jìn)而闡明更加復(fù)雜、更加符合實(shí)際水體的組合擾動(dòng)下內(nèi)源磷再生和遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律,為豐富淺水湖泊磷遷移轉(zhuǎn)化理論體系提供數(shù)據(jù)支持.

1　材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)與野外采樣

2014年4月利用大口徑重力采樣器(Rigo Co.直徑90mm 高500mm)在梅梁灣采樣點(diǎn)(N31°31'30.10",E120°10'57.1")采集表層15cm底泥柱樣共16根,并保留采樣管上端上覆水樣,兩端用橡膠塞密封后垂直放入特制采樣架中,盡可能的無擾動(dòng)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室.同時(shí)采集上覆水50L.采樣點(diǎn)底泥及上覆水的理化性質(zhì)見表1.

表1　采樣點(diǎn)底泥和上覆水的理化性質(zhì)Table 1　Physics-chemical properties of sediments and overlying water from the sampling point

試驗(yàn)用藻類購(gòu)自中科院水生生物研究所(武漢),品種為銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa),該品種是太湖水華爆發(fā)時(shí)的優(yōu)勢(shì)種群.搖蚊幼蟲購(gòu)自花鳥魚蟲市場(chǎng),其中主要種為羽搖蚊幼蟲(Chironomus plumosus);河蜆(Corbicula fluminea)采集自太湖,并將買回的搖蚊幼蟲和采集的河蜆用太湖底泥和上覆水馴化培養(yǎng)1周后用于實(shí)驗(yàn). 1.2 室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用培養(yǎng)單元培養(yǎng)管構(gòu)造見圖1,培養(yǎng)管材料為有機(jī)玻璃(長(zhǎng)20.5cm,內(nèi)徑ID8.4cm),底端用橡膠塞密封;管壁留有安裝Rhizon間隙水采樣器(Rhizon core solution sampler)的小孔,使用前用疏水膠帶密封.

將采集的上覆水過400目金屬篩,截除浮游生物,過濾后的上覆水用作底泥柱樣培養(yǎng)的上覆水.采集的底泥柱樣進(jìn)行以下處理:將每個(gè)柱樣表層10cm底泥切分成5層,每層2cm,相同層的底泥分別收集在同一桶中,將各桶內(nèi)底泥過60目金屬篩除去其中的底棲生物和大顆粒物,將過篩后的底泥混勻,按原來順序裝入培養(yǎng)管中,并用切片將底泥-水界面切成完全平整.然后將濾后上覆水虹吸到底泥上,盡可能不擾動(dòng)表層底泥且保持底泥-水界面平整.將制得的5根底泥柱樣放在培養(yǎng)水槽內(nèi),并向水槽內(nèi)加入濾后上覆水淹沒培養(yǎng)管,用曝氣沙頭對(duì)槽內(nèi)水曝氣預(yù)培養(yǎng)16d,讓底泥穩(wěn)定.為了去除水中原有藻類對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的影響,整個(gè)預(yù)培養(yǎng)期間將柱樣置于黑暗環(huán)境.

在第14d底泥已基本穩(wěn)定,即底泥-水界面沉降完全,泥面高度保持穩(wěn)定,上覆水中的各營(yíng)養(yǎng)鹽濃度保持穩(wěn)定.從培養(yǎng)水槽中取出底泥柱樣,將泥樣柱上頂至適當(dāng)位置,使得采樣孔位于底泥-水界面以下1.5,2.5,3.5,4.5,5.5cm處(分別采集泥面下1～2,2～3,3～4,4～5,5～6cm段的間隙水,采樣分辨率是1cm,由于在0.5cm處插入的Rhizon采樣管易在重力作用下將表層泥面開裂,因此原定于0.5cm處抽取1～2cm間隙水的小孔暫時(shí)取消),將Rhizon間隙水采樣管包扎生料帶后插入培養(yǎng)管壁預(yù)留的小孔中以保證完全密封,插入時(shí)注意采樣管的水平.同時(shí)取足量預(yù)培養(yǎng)水放入棕色瓶中4℃保存,作為實(shí)驗(yàn)用上覆水的補(bǔ)充.具體實(shí)驗(yàn)分組及編號(hào)見表2.實(shí)驗(yàn)過程溫度為室溫.蜆緩慢靠近泥-水界面輕輕放置于底泥表面,盡量避免產(chǎn)生較大擾動(dòng).

圖1　實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)管Fig.1　Experiment incubation tube

當(dāng)天20:00,開啟恒速攪拌機(jī)(IKA RW20digital),在底泥-水界面上方1cm處對(duì)組合擾動(dòng)組底泥柱樣擾動(dòng)10min.在試驗(yàn)期間,發(fā)現(xiàn)搖蚊幼蟲鉆出泥面死亡時(shí),立即用鑷子小心挑出,并加入等量的活體.

試驗(yàn)共持續(xù)了11d(第17～27d). 每天采集上覆水水樣測(cè)定TP、DTP和DIP.在沉積物-水界面以下0.5cm處用10mL針管抽取9mL上覆水.采樣后,立即用存于棕色瓶中的等量預(yù)培養(yǎng)水補(bǔ)充.

間隙水DIP取樣時(shí)用2mL注射器抽取1mL間隙水.間隙水在15,21,26d采集.試驗(yàn)在第27d結(jié)束,從各組(ES1、ES2、ES3、ES4、ES5)分別取1根柱樣,取出Rhizon間隙水采樣器,并用疏水膠帶密封管壁小孔,將底部橡膠塞上頂,切取表層沉積物測(cè)定含水率、有機(jī)質(zhì)和沉積物磷形態(tài).取樣時(shí),均對(duì)上覆水、間隙水樣品測(cè)試了3次,沉積物分析則是取樣3次,即每個(gè)數(shù)據(jù)是有3次采樣的測(cè)定后的平均值.

1.3 樣品分析方法

上覆水中溶解氧(DO)和pH值分別通過便攜式溶解氧測(cè)定儀(HQ30d)和數(shù)顯pH計(jì)(pHs-3TC)測(cè)定.

TP是將水樣用過硫酸鉀消解后用鉬銻抗分光光度法測(cè)定; DTP是將水樣先過0.45μm濾膜然用過硫酸鉀消解后測(cè)定; DIP含量是將水樣過0.45μm濾膜后直接測(cè)定.PP是TP與DTP的差值.

沉積物中形態(tài)磷的數(shù)量分布參照文獻(xiàn)[19]的方法.該法將形態(tài)磷分為4種:弱吸附態(tài)磷(NH4Cl-P)、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe /Al-P)、鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P)、殘?jiān)?Res-P).沉積物上總磷(Tot-P)以上述4種形態(tài)磷之和表示.

沉積物數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析利用雙因素方差分析完成,不同處理與深度作為變量,如不同處理組之間存在顯著差異,再利用Tukey事后檢驗(yàn)分析各深度不同處理組與對(duì)照組之間是否存在顯著差異.統(tǒng)計(jì)分析利用軟件SPSS 22.0 (SPSS,美國(guó))完成.

表2　實(shí)驗(yàn)分組Table 2　Situation of the experimental group

在第17d,挑選活性較強(qiáng)的搖蚊幼蟲,向生物擾動(dòng)組(ES2)和組合擾動(dòng)(ES3、ES4、ES5)組柱樣中加入相應(yīng)條數(shù)的搖蚊幼蟲,其中主要種為羽搖蚊(Chironomus plumosus)幼蟲,絕大多數(shù)的搖蚊幼蟲能迅速打孔鉆入底泥中,半小時(shí)過后,將尚未打孔鉆入的搖蚊幼蟲用鑷子輕輕挑出,用新?lián)u蚊幼蟲替換,然后將所有培養(yǎng)管放回黑暗房間內(nèi)開啟試驗(yàn).以同樣的的方法加入相應(yīng)數(shù)量的河蜆和藻類.河蜆密度選擇參照文獻(xiàn)[17],銅綠微囊藻濃度選擇參照文獻(xiàn)[18].加入河蜆時(shí)用筷子夾住河

2　結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)過程觀察結(jié)果

搖蚊幼蟲引入后,能夠在沉積物表面迅速打洞鉆入沉積物,并構(gòu)筑U型或J型廊道;河蜆引入沉積物后,慢慢在沉積物表面挖穴,一段時(shí)間后,河蜆完全鉆入沉積物,只露出吸管進(jìn)行攝食.進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),搖蚊幼蟲構(gòu)筑的廊道周圍顏色由黑色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱俗攸S色,這主要是因?yàn)閾u蚊幼蟲的生物引灌作用導(dǎo)致溶解氧滲透深度增加,在廊道周圍形成了氧化層;河蜆的活動(dòng)使得表層部分黑色的沉積物暴露在富氧的上覆水,被氧化成棕黃色,從縱向來看,由于河蜆的活動(dòng)增大了溶解氧滲透深度,使得棕黃色氧化層向沉積物深處遷移,而河蜆在適應(yīng)環(huán)境后穴居起來,有時(shí)會(huì)伸出斧足,偶爾觀察到它們進(jìn)行水平活動(dòng)的痕跡.另外,有河蜆的處理組,上覆水濁度很低,清澈見底.藻類的加入,使得上覆水稍微帶綠色,是所有處理組中最渾濁的,并持續(xù)了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程.

2.2 上覆水不同形態(tài)磷的變化規(guī)律

在搖蚊幼蟲和物理組合擾動(dòng)的基礎(chǔ)上加入河蜆或藻類,上覆水不同形態(tài)磷(TP、DTP、DIP、PP)發(fā)生了顯著變化,并且河蜆的存在和藻類的存在對(duì)組合擾動(dòng)體系的上覆水不同形態(tài)磷的影響是不同的.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),不同處理組上覆水不同形態(tài)磷的變化規(guī)律見圖2.

圖2(a)顯示出了TP大概的變化趨勢(shì),與空白組(ES1)對(duì)比,其他4個(gè)處理組TP先逐漸增大,在第7d達(dá)到最大值,ES2、ES3、ES4、ES5各組最大值分別為0.25,0.31,0.35,0.20mg/L,隨后立即大幅減小,但從第9d開始TP有小幅“回升”的趨勢(shì).

圖2(b)顯示了上覆水DTP的變化趨勢(shì),先緩慢減小,后增大,在第7d達(dá)到最大值,之后呈逐漸降低趨勢(shì).與物理和搖蚊幼蟲組合擾動(dòng)相比,河蜆和藻類的存在都增大了DTP的最大值,并且都要明顯大于空白對(duì)照組.不同的是在第9d之后,河蜆組(ES4)DTP含量一直處于較高水平,并顯著大于其他處理組;而藻類組(ES5)與其他處理組相差不大.說明了組合擾動(dòng)下河蜆的存在,對(duì)DTP的影響較大,這主要?dú)w因于河蜆的排泄物,河蜆的磷排泄中,DTP在TP中所占的比例在83.01%～ 100%之間,DIP占TP比例在36.60%～96.59%之間[20].

圖2　不同處理組上覆水中各形態(tài)磷的變化規(guī)律Fig.2 Variation of different phosphorus forms in the overlying water under different treatmentsES1、ES2、ES3、ES4、ES5分別代表空白對(duì)照組、搖蚊幼蟲擾動(dòng)組、物理和搖蚊幼蟲組合擾動(dòng)組(簡(jiǎn)稱組合擾動(dòng)組)、河蜆存在下物理和搖蚊幼蟲組合擾動(dòng)組(簡(jiǎn)稱河蜆組)、藻類存在下物理和搖蚊幼蟲組合擾動(dòng)組(簡(jiǎn)稱藻類組)

從圖2(c)和圖2(d)可以看出,DIP和PP的變化趨勢(shì)與TP基本一致,先逐漸增大,在第7d達(dá)到最大值,之后立即大幅減小,從第9d開始有增大的趨勢(shì).

各處理組DIP最大值按照空白組(ES1)、搖蚊幼蟲組(ES2)、組合擾動(dòng)組(ES3)、藻類組(ES5)、河蜆組(ES4)的順序依次增大,分別達(dá)到0.039, 0.046,0.055,0.076,0.082mg/L,這說明了組合擾動(dòng)下,河蜆和藻類存在,都顯著增大了上覆水DIP的含量.

由于河蜆的擾動(dòng)改變了沉積物表層原有結(jié)構(gòu),增大了含水率,加大了溶解性磷酸鹽在沉積物-水界面向上覆水釋放的速率[21],同時(shí)河蜆攝食有機(jī)質(zhì),并通過新陳代謝將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為DIP以排泄物的形式排入到水體中[20],這也是河蜆導(dǎo)致DIP增大的原因.另外,根據(jù)文獻(xiàn)[8]物理和搖蚊幼蟲組合擾動(dòng)會(huì)增大上覆水DIP含量,河蜆的出現(xiàn),與原有的物理擾動(dòng)、搖蚊幼蟲擾動(dòng)會(huì)形成多種新型組合擾動(dòng)形式—物理-河蜆組合擾動(dòng)、河蜆-搖蚊幼蟲組合擾動(dòng)、物理-河蜆-搖蚊幼蟲組合擾動(dòng),根據(jù)物理和生物組合對(duì)內(nèi)源磷再生和遷移轉(zhuǎn)化的協(xié)同作用理論,可以推測(cè)新形式的組合擾動(dòng)的出現(xiàn)會(huì)進(jìn)一步增大上覆水DIP的含量.銅綠微囊藻能夠顯著增加沉積物磷的釋放量,引起上覆水中可溶性磷酸鹽的增加,為其生長(zhǎng)繁殖提供了必要的營(yíng)養(yǎng)條件[15],當(dāng)銅綠微囊藻死亡時(shí)即迅速釋放出其所蓄積的磷[23],而這釋放出磷大部分是DIP[24],所以藻類的出現(xiàn)同樣促進(jìn)了DIP的增大.這與汪明等[16]研究結(jié)果一致.從第7d各處理組最大值數(shù)據(jù)來看,藻類組(0.082mg/L)比河蜆組(0.076mg/L)更大,說明了組合擾動(dòng)下,藻類的出現(xiàn)對(duì)增大上覆水DIP的含量更顯著,這也暗示了實(shí)際水體防治水華必須要嚴(yán)格控制藻類生長(zhǎng).

圖2(d)顯示,在第7d最大值時(shí),河蜆組PP(0.238mg/L)含量最大;藻類組PP(0.079mg/L)比空白組(0.176mg/L)和組合擾動(dòng)組(0.143mg/L)都明顯更小.說明了組合擾動(dòng)下河蜆和藻類的出現(xiàn)對(duì)PP的影響顯著不同,河蜆通過濾食上覆水中的懸浮物獲取有機(jī)物,使得上浮水顆粒態(tài)物質(zhì)大量減少,這與實(shí)驗(yàn)過程觀察到河蜆組上覆水非常清澈的結(jié)果相一致.

2.3 間隙水DIP的變化規(guī)律

間隙水是溶解態(tài)物質(zhì)在沉積物與上覆水之間交換的中介,間隙水DIP既可以釋放到上覆水中以補(bǔ)充上覆水磷,也可以轉(zhuǎn)化為沉積物磷沉積在底泥中,所以間隙水DIP的變化規(guī)律反映了整個(gè)泥-水體系磷的轉(zhuǎn)化和歸趨.本實(shí)驗(yàn)利用Rhizon間隙水采樣技術(shù)分析了間隙水DIP的變化規(guī)律,為上覆水磷和沉積物磷之間的相互遷移轉(zhuǎn)化提供依據(jù).各處理間隙水DIP含量的變化規(guī)律如圖3.

圖3　不同處理組間隙水DIP剖面Fig.3　DIP profiles in the pore water sampled on day 0, day 5 and day 10 under different treatments

由圖3(a)可知,在引入搖蚊幼蟲、河蜆、藻類前(0d),空白組(ES1)、搖蚊幼蟲擾動(dòng)組(ES2)、組合擾動(dòng)(ES3)、河蜆組(ES4)和藻類組(ES5)中DIP剖面相似,無顯著性差異(P>0.05).在0-4cm, DIP濃度隨深度的增加而增加,各處理組(ES1、ES2、ES3、ES4、ES5)DIP濃度從0.89,1.30, 0.99,0.90,0.98mg/L分別增大到4.09,3.53,4.19, 3.78,4.48mg/L;深度大于4cm后,DIP濃度隨深度的增加而減小,分別降低至2.28,2.41,2.38,2.14, 2.50mg/L.對(duì)比圖3(b)與圖3(a)發(fā)現(xiàn)ES2、ES3、ES4和ES5沉積物間隙水中DIP的峰值區(qū)域由3～4cm遷移至4～5cm,而空白組(ES1)并無此現(xiàn)象,說明搖蚊幼蟲和河蜆的引入使得DIP再生的優(yōu)勢(shì)區(qū)域更深入泥層,這與底棲生物打洞、筑穴、構(gòu)筑廊道、攝食排泄等生物活動(dòng)密切相關(guān).此外,空白組(ES1)沉積物縱向剖面DIP濃度未見明顯減小,這是因?yàn)樵谠摑舛忍荻认?間隙水與上覆水之間DIP已達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.圖3(c)也顯示了上述相類似規(guī)律.

圖3(b)和3(c)中組合擾動(dòng)組(ES3)間隙水中DIP濃度明顯低于搖蚊幼蟲組(ES2)和空白組(ES1),主要是因?yàn)槲锢砗蜕锝M合擾動(dòng)的協(xié)同作用,這與前人研究結(jié)果一致[9].組合擾動(dòng)的基礎(chǔ)上,河蜆和藻類的出現(xiàn)都進(jìn)一步降低了間隙水DIP濃度.

河蜆擾動(dòng)促進(jìn)沉積物溶解氧滲透深度,促進(jìn)了間隙水中的Fe2+的氧化成水合鐵氧化物,使得 DIP與水合鐵氧化物結(jié)合并沉積到沉積物中,間隙水DIP濃度的降低會(huì)減小DIP向上覆水?dāng)U散的濃度梯度,進(jìn)而減小間隙水DIP向上覆水的釋放通量,甚至產(chǎn)生沉積物對(duì)上覆水中DIP的吸附[25-26].但是也有研究表明河蜆不僅沒有減緩DIP向上覆水的釋放,反而促進(jìn)了DIP向上覆水釋放.這是因?yàn)樵诋a(chǎn)生這些抑制間隙水DIP向上覆水釋放的同時(shí),河蜆制造了一些促使DIP向上覆水釋放的的過程,如河蜆的挖掘、生物引灌、濾食等[27-29].

2.4 沉積物中磷賦存形態(tài)數(shù)量分布的變化規(guī)律

沉積物中磷賦存形態(tài)數(shù)量與上覆水磷和間隙水磷的變化規(guī)律緊密相關(guān).各處理組沉積物表層0～2cm和2～4cm的磷形態(tài)數(shù)量的變化規(guī)律見圖4～7.

圖4　0～2cm沉積物磷賦存形態(tài)數(shù)量分布Fig.4　Distributions of phosphorus forms in 0～2cm sediment from different treatments

圖5　0～2cm沉積物不同形態(tài)磷占總磷的百分比Fig.5　Percentage of different phosphorus forms of TP in the 0～2cm sediment

圖6　2～4cm沉積物磷賦存形態(tài)數(shù)量分布Fig.6　Distributions of phosphorus forms in 2～4cm sediment from different treatments

圖7　2～4cm沉積物不同形態(tài)磷占總磷的百分比Fig.7　Percentage of different phosphorus forms of TP in the 2～4cm sediment

圖4和圖6顯示,不同組合擾動(dòng)狀態(tài)以及對(duì)照組沉積物中不同形態(tài)磷(NH4Cl-P、Fe/Al-P、Ca-P和Res-P)數(shù)量分布規(guī)律明顯不同.通過計(jì)算可知,對(duì)于沉積物表層0～2cm和2～4cm,對(duì)照組(ES1)、搖蚊幼蟲組(ES2)、組合擾動(dòng)組(ES3)中總磷(Tot-P)依次逐漸減小,當(dāng)河蜆或藻類出現(xiàn)時(shí)總磷比組合擾動(dòng)更小,說明了二者的出現(xiàn)都使得底泥磷向上覆水釋放,這與上覆水總磷變化規(guī)律(圖2a)相符合.沉積物表層0～2cm, ES1、ES2、ES3沉積物中的NH4Cl-P含量逐漸減小,占總磷的百分比也逐漸較小(圖5),呈釋放趨勢(shì).由于生物引灌作用、組合擾動(dòng)協(xié)同作用,改變了沉積物氧環(huán)境,在好氧層/缺氧層/厭氧層的交替作用下以及微生物作用下,轉(zhuǎn)化成間隙水DIP或其它形態(tài)磷(如Fe/Al-P).而這3組Fe/Al-P變化規(guī)律與NH4Cl-P相反,其含量(圖4)及其占Tot-P百分比(圖5)依次增加,與組合擾動(dòng)相比,河蜆組(ES4)和藻類組(ES5)都進(jìn)一步降低了NH4Cl-P含量和增加了Fe/Al-P含量,但這兩組之間并無顯著差別. 而Ca-P和Res-P含量變化不顯著.說明了相比于空白對(duì)照組其他處理組都促進(jìn)了NH4Cl-P向Fe/Al-P的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化.這歸因于生物引灌作用增大了沉積物溶解氧含量,使間隙水中的Fe2+和廊道附近沉積物中的Fe2+被氧化成Fe3+及鐵氧化物,它們對(duì)DIP有專屬吸附,因此顯著降低了間隙水中DIP含量,藉此增加了Fe/Al-P含量[25,30-31].同時(shí),疊加物理擾動(dòng)后,NH4Cl-P降低幅度以及Fe/Al-P增加幅度明顯大于單純的底棲生物擾動(dòng).這是因?yàn)檫@可能NH4Cl-P很容易被較大的水動(dòng)力(物理攪拌)破壞分子間的吸附力,從而使其解析釋放.在組合擾動(dòng)協(xié)同作用下, Fe/Al-P增加顯著[32-33].河蜆挖穴和水平活動(dòng)使得表層含黑色厭氧沉積物暴露在富氧的上覆水環(huán)境中,這些被迫移動(dòng)到表面的沉積物中含有NH4Cl-P和Fe2+,而NH4Cl-P被物理擾動(dòng)破壞從而解析釋放, Fe2+被氧化后吸附水中DIP形成Fe/Al-P,因此河蜆的出現(xiàn)進(jìn)一步降低了沉積物NH4Cl-P含量和增大了Fe/Al-P含量.藻類的出現(xiàn)造成了與河蜆相類似的結(jié)果,但它們?cè)蚴墙厝徊煌?一是藻類本身會(huì)通過“泵吸”作用加快底泥中磷釋放,從而來滿足自身生長(zhǎng)的需要[15],加大了NH4Cl-P的釋放量.二是在藻類和擾動(dòng)共同作用下,打破了附著在沉積物上的藻類通過光合作用改變沉積物表面氧環(huán)境所造成的沉積物磷釋放量降低的局面[34],使得更多的NH4Cl-P轉(zhuǎn)化為DIP.所以藻類的出現(xiàn)使NH4Cl-P含量進(jìn)一步降低.而藻類的光合作用釋放的大量氧氣使得增大了沉積物溶解氧滲透深度(OPD),使得有更多的Fe2+被氧化成Fe3+及鐵氧化物吸附磷從而增大了Fe/Al-P,另外,被解析釋放的NH4Cl-P有一部分也轉(zhuǎn)化成Fe/Al-P.因此,藻類的出現(xiàn)同樣降低了NH4Cl-P含量和增大了Fe/Al-P含量.

3　各擾動(dòng)因素對(duì)磷遷移轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)

以搖蚊幼蟲擾動(dòng)、物理擾動(dòng)、河蜆、藻類為影響因子,分析它們分別對(duì)磷遷移轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn).根據(jù)表2,ES1為空白組, ES2與ES1相比僅多了搖蚊幼蟲的影響,則ES2-ES1可認(rèn)定為搖蚊幼蟲擾動(dòng)所導(dǎo)致.類似, ES3-ES2為物理擾動(dòng)所導(dǎo)致,ES4-ES3為河蜆導(dǎo)致,ES5-ES3為藻類所導(dǎo)致. 圖8、圖9、圖10分別是各因素對(duì)第7天最大值時(shí)上覆水磷變化量、實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間隙水DIP減少量、實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)底泥磷變化量(NH4Cl-P減少量和Fe/Al-P增加量)的貢獻(xiàn).其中圖8中正值表示增大,負(fù)值表示減小.

圖8　各因素對(duì)上覆水磷的貢獻(xiàn)Fig.8　The contribution of 4factors on the phosphorus in the overlying water

圖9　各因素對(duì)間隙水DIP的貢獻(xiàn)Fig.9　The contribution of 4factors on the DIP in the pore

圖10　各因素對(duì)底泥磷的貢獻(xiàn)Fig.10　The contribution of 4 factors on the phosphorus in the sediment water圖8～10數(shù)據(jù)是全部計(jì)算出來的,沒有誤差線

圖8顯示,物理擾動(dòng)(21%)對(duì)增大TP的貢獻(xiàn)最大,依次大于河蜆擾動(dòng)(15%)、搖蚊幼蟲擾動(dòng)(11%),而藻類減少TP的量達(dá)(-36%),從變化幅度上看,藻類對(duì)上覆水TP影響程度最大.DTP的增大主要受搖蚊幼蟲擾動(dòng)(32%)和物理擾動(dòng)(13%)的影響,而河蜆和藻類的影響都較小,增幅都在10%以下.而各因素對(duì)DIP與DTP的影響明顯不同.從對(duì)增大DIP貢獻(xiàn)來看,搖蚊幼蟲擾動(dòng)(48%)和物理擾動(dòng)(38%)的影響比河蜆(14%)和藻類(21%)的大得多.從PP的變化來看,各因素的貢獻(xiàn)都很大,而且明顯大于其他3種磷(TP、DTP、DIP),說明了PP很容易與其他磷形態(tài)發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化.

從圖9可以看出, 搖蚊幼蟲擾動(dòng)、物理擾動(dòng)、河蜆、藻類4因素中藻類對(duì)減少間隙水DIP的貢獻(xiàn)最大(33%),河蜆的貢獻(xiàn)最小(16%).

圖10呈現(xiàn)了沉積物表層0～2、2～4cm深度中NH4Cl-P減少量和Fe/Al-P增加量與4個(gè)因素的關(guān)系.其中,0～2cm沉積物,搖蚊幼蟲對(duì)NH4Cl-P減少量的貢獻(xiàn)(12%)稍大于其他因素,相差不大,都在10%左右;而對(duì)Fe/Al-P增加量的貢獻(xiàn)(15%)顯著大于其他因素(物理7%、河蜆1%、藻類1%).2～4cm沉積物,對(duì)NH4Cl-P減少量的貢獻(xiàn)中搖蚊幼蟲依然是最大的(15%),但相比于0～2cm,河蜆和藻類的貢獻(xiàn)都有小幅增大,都達(dá)到了12%;搖蚊幼蟲擾動(dòng)和物理擾動(dòng)對(duì)Fe/Al-P增加量的貢獻(xiàn)大幅降低,而河蜆和藻類的貢獻(xiàn)有小幅增加.

4　結(jié)論

4.1 與組合擾動(dòng)相比,河蜆或藻類均導(dǎo)致上覆水磷(TP、DTP、DIP、PP)顯著增加 (除藻類組PP增大不明顯外),并且致使間隙水DIP濃度進(jìn)一步減小.

4.2 與組合擾動(dòng)相比,河蜆和藻類出現(xiàn)進(jìn)一步降低了沉積物NH4Cl-P含量和增大了Fe/Al-P含量,而Ca-P和Res-P變化不明顯.

4.3 搖蚊幼蟲擾動(dòng)顯著增加上覆水中DTP和DIP,這與搖蚊幼蟲導(dǎo)致間隙水中DIP含量降低及沉積物中NH4Cl-P含量降低貢獻(xiàn)率最高有關(guān).

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦伯強(qiáng),楊柳燕,陳非洲,等.湖泊富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生機(jī)制與控制技術(shù)及其應(yīng)用 [J]. 科學(xué)通報(bào), 2006,51(16):1857-1866.

[2] Neal C, Neal M, Leeks G J L, et al. Suspended sediment and particulate phosphorus in surface waters of the upper ThamesBasin, UK [J]. Journal of Hydrology, 2006,330(1/2):142-154.

[3] 尤本勝,王同成,范成新等.太湖草型湖區(qū)沉積物再懸浮對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2008,29(1):26-31.

[4] Luoto T P, Ojala A E K. Paleolimnological assessment of ecological integrity and eutrophication history for Lake Tiil??nj?rvi (Askola, Finland) [J]. Journal of Paleolimnology, 2014,51(4):455-468.

[5] Ilarri M I, Souza A T, Antunes C, et al. Influence of the invasive Asian clam Corbicula fluminea (Bivalvia: Corbiculidae) on estuarine epibenthic assemblages [J]. Estuarine Coastal & Shelf Science, 2014,143(4):12–19.

[6] 張 雷,古小治,邵世光,等.河蜆(Corbicula fluminea)擾動(dòng)對(duì)湖泊沉積物性質(zhì)及磷遷移的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2011,32(1):88-95.

[7] 張 雷,商景閣,王兆德,等.河蜆擾動(dòng)沉積物界面效應(yīng)及其在水中代謝速率 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31(6):1001-1006.

[8] 史曉丹,李大鵬,王 忍,等.物理和搖蚊幼蟲組合擾動(dòng)對(duì)內(nèi)源磷再生和形態(tài)轉(zhuǎn)化的協(xié)同作用 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2015,36(3):955-962.

[9] 史曉丹,李 勇,李大鵬,等.搖蚊幼蟲擾動(dòng)下沉積物微環(huán)境和微界面對(duì)物理擾動(dòng)強(qiáng)度的響應(yīng) [J]. 環(huán)境科學(xué), 2015,36(5):1622-1629.

[10] 王 忍,李大鵬,黃 勇,等.物理和生物組合擾動(dòng)對(duì)底泥微界面過程的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2015,36(11):4112-4120.

[11] 武曉飛,李大鵬,汪 明,等.反復(fù)擾動(dòng)下加藻對(duì)不同形態(tài)磷相互轉(zhuǎn)化的影響 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(4):1187-1196.

[12] 陳 俊,李大鵬,李 勇,等.底泥擾動(dòng)下藻類對(duì)不同形態(tài)磷在水體中分布的影響 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(9):2787-2793.

[13] Douglas E J, Haggitt T R, Rees T. Relationship between tissue phosphorus and seawater phosphate in the brown alga Hormosira banksii [J]. New Zealand Journal of Marine & Freshwater Research, 2014,49(1):64-68.

[14] Sung K, Lee G J, Munster C. Effects of Eichhornia crassipes and Ceratophyllum demersum on Soil and Water Environments and Nutrient Removal in Wetland Microcosms [J]. International Journal of Phytoremediation, 2015,17:0-0.

[15] Cyr H, MaCabe S K, Nǖrnberg G K. Phosphorus sorption experiments and the potential for internal phosphorus loading in littoral areas of a stratified lake. Water Research, 2009,43(6): 1654-1666.

[16] 汪 明,武曉飛,李大鵬,等.太湖梅梁灣不同形態(tài)磷周年變化規(guī)律及藻類響應(yīng)研究 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2015,36(1):80-86.

[17] 蔡 煒,蔡永久,龔志軍,等.太湖河蜆時(shí)空格局 [J]. 湖泊科學(xué), 2010,22(5):714-722.

[18] 耿 磊,郁 凡,李亞春.基于MODIS資料的太湖藍(lán)藻濃度監(jiān)測(cè)[J]. 氣象科學(xué), 2010,30(6):827-831.

[19] Hieltjes A H M, Lijklema L. Fractionation of inorganic phosphates in calcareous sediments [J]. Journal of Environmental Quality, 1980,9(6):405-407.

[20] 薛慶舉,蔡永久,許 浩,等.溫度對(duì)河蜆(Corbicula fluminea)氮、磷排泄影響的初步研究 [J]. 湖泊科學(xué), 2014,26(6):864-870.

[21] 張 雷,古小治,邵世光,等.河蜆(Corbicula fluminea)擾動(dòng)對(duì)湖泊沉積物性質(zhì)及磷遷移的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2011,32(1):88-95.

[22] 劉冬梅,姜 霞,金項(xiàng)燦,等.太湖藻對(duì)水-沉積物界面磷交換過程的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2006,19(4):8-13.

[23] 張勝花,葛芳杰,王紅強(qiáng),等.不同氮磷營(yíng)養(yǎng)條件下銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)對(duì)正磷酸鹽的蓄積效果 [J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2008,17(6):909-913.

[24] 楊柳燕,王 勤,史小麗,等.銅綠微囊藻磷代謝過程研究 [J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2005,24(4):686-689.

[25] Lewandowski J, Hupfer M. Effect of macrozoobenthos on twodimensional small-scale heterogeneity of pore water phosphorus concentrations in lake sediments: A laboratory study [J]. Limnology and Oceanography, 2005,50(4):1106-1118.

[26] Mortimer R J G, Davey J T, M.D. Krom, et al. The Effect Of Macrofauna On Porewater Profiles And Nutrient Fluxes In The Intertidal Zone Of The Humber Estuary [J]. Estuarine Coastal & Shelf Science, 1999,48(6):683-699.

[27] Hakenkamp C C, Palmer M A. Introduced bivalves in freshwater ecosystems: the impact of Corbicula on organic matter dynamics in a sandy stream [J]. Oecologia, 1999,119(3):445-451.

[28] Lauritsen D, Mozley S. Nutrient excretion by the Asiatic clam Corbicula fluminea [J]. Journal of the North American Benthological Society, 1989,8(2):134-139.

[29] Mermillod-Blondin F. Biodiversity of benthic invertebrates and organic matter processing in shallow marine sediments: an experimental study [J]. Journal of Experimental Marine Biology & Ecology, 2005,315(2):187–209.

[30] Matisoff G, Fisher J, Matis S. Effects of benthic macroinvertebrates on the exchange of solutes between sediments and freshwater [J]. Hydrobiologia, 1985,122:19-33.

[31] 尤本勝.太湖沉積物再懸浮和沉降過程中物質(zhì)的動(dòng)態(tài)遷移及其定量化 [D]. 南京:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所, 2007:75-96.

[32] House W A, Denisort F H. Factors influencing the moflsurement of equilibrium phosphate concentration in fiver sediments [J]. Warter Research, 2000,34(4):1187-1200.

[33] 范成新,張 路,包先明,等.太湖沉積物-水界面生源要素遷移機(jī)制及定量化-2磷釋放的熱力學(xué)機(jī)制及源匯轉(zhuǎn)換 [J]. 湖泊科學(xué), 2006,18(3):207-217.

[34] 張 強(qiáng),劉正文.附著藻類對(duì)太湖沉積物磷釋放的影響 [J]. 湖泊科學(xué), 2010,22(6):930-934.

Impacts of Corbicula fluminea or algae under combined disturbance on internal phosphorus migration.

WANG Ren, LI Yong, LI Da-peng*, CAI Shun-zhi, HUANG Yong (School of Environmental Science and Engineering, University of Science and Technology of Suzhou, Suzhou 215009, China). China Environmental Science, 2016,36(4)：1226～1234

Abstract：It was to clarify the effect of Corbicula fluminea or algae under physical and Chironomus plumosus combined disturbance on regeneration and transformation of internal phosphorus (P), using the sediment and overlying water from Meiliang Bay, Tai Lake. The variation of P forms in the overlying water, pore water and sediments was analyzed. The results showed that the concentration of Total P (TP), Dissolved total P (DTP), Dissolved inorganic P (DIP), Particulate P (PP) in the overlying water under combined disturbance with the Corbicula fluminea or algae were obviously higher, compared with that under combined disturbance, and they could result in the decrease marked for DIP in the pore water. In addition, the peak area of DIP migrated deep (from 3～4 cm to 4～5 cm under 0 cm) dued to Corbicula fluminea or algae, but the control was not. The content of NH4Cl-P and the percentage of Fe/Al-P to Total P in the sediment (0～4cm) decreased and the Fe/Al-P increased due to Corbicula fluminea or algae, and the effect of Corbicula fluminea or algae on the NH4Cl-P decreased and Fe/Al-P increased was the same nearly. Under different disturbance factors, the contribution of Chironomus plumosus on the DTP and DIP in the overlying water was big. One explanation was it reduced the DIP in the pore water and the NH4Cl-P in the sediment. It was suggested that Corbicula fluminea or algae under combined disturbance could improve the internal P release and migration.

Key words：phosphorus；combined disturbance；Chironomus plumosus；Corbicula fluminea；Microcystis aeruginosa；Tai Lake

作者簡(jiǎn)介：王 忍(1990-),男,湖北黃石人,蘇州科技學(xué)院碩士研究生,主要研究方向?yàn)樗w修復(fù).發(fā)表論文2篇.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51178284,51278523);江蘇省第四期“333”工程;江蘇省“六大人才高峰”項(xiàng)目(2013-JNHB-022)

收稿日期：2015-09-23

中圖分類號(hào)：X131.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)04-1226-09